Las láminas ultradelgadas de una nueva perovskita híbrida 2-D tienen forma cuadrada y un área relativamente grande, propiedades que deberían facilitar su integración en futuros dispositivos electrónicos. Crédito:Peidong Yang, Laboratorio de Berkeley
A la creciente lista de semiconductores bidimensionales, como el grafeno, nitruro de boro, y disulfuro de molibdeno, cuyas propiedades electrónicas únicas los convierten en posibles sucesores del silicio en dispositivos futuros, ahora puede agregar perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas. Sin embargo, a diferencia de los otros contendientes, que son semiconductores covalentes, estas perovskitas híbridas 2D son materiales iónicos, lo que les confiere propiedades especiales propias.
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han cultivado con éxito láminas 2D atómicamente delgadas de perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas a partir de una solución. Las láminas ultrafinas son de alta calidad, grande en área, y de forma cuadrada. También exhibieron fotoluminiscencia eficiente, ajuste de color, y una relajación estructural única que no se encuentra en las láminas semiconductoras covalentes.
"Creemos que este es el primer ejemplo de nanoestructuras 2D atómicamente delgadas hechas de materiales iónicos, "dice Peidong Yang, químico de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y autoridad mundial en nanoestructuras, a quien se le ocurrió la idea de esta investigación hace unos 20 años. "Los resultados de nuestro estudio abren oportunidades para la investigación fundamental sobre la síntesis y caracterización de perovskitas híbridas 2D atómicamente delgadas e introduce una nueva familia de semiconductores procesados en solución 2D para dispositivos optoelectrónicos a nanoescala, como transistores de efecto de campo y fotodetectores ".
Ilustración estructural de una sola capa de una perovskita híbrida 2D (C4H9NH3) 2PbBr4), un material iónico con propiedades diferentes a las de los semiconductores covalentes 2D.
Yang, quien también tiene nombramientos en la Universidad de California (UC) Berkeley y es codirector del Instituto Kavli Energy NanoScience (Kavli-ENSI), es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Ciencias . El artículo se titula "Perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas bidimensionales atómicamente delgadas". Los autores principales son Letian Dou, Andrew Wong y Yi Yu, todos los miembros del grupo de investigación de Yang. Otros autores son Minliang Lai, Nikolay Kornienko, Samuel Eaton, Anthony Fu, Connor Bischak, Jie Ma, Tina Ding, Naomi Ginsberg, Lin-Wang Wang y Paul Alivisatos.
Las perovskitas tradicionales son típicamente materiales de óxido metálico que muestran una amplia gama de fascinantes propiedades electromagnéticas. incluyendo ferroelectricidad y piezoelectricidad, superconductividad y magnetorresistencia colosal. En los últimos años, Las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas se han procesado en solución en películas delgadas o cristales a granel para dispositivos fotovoltaicos que han alcanzado una eficiencia de conversión de energía del 20 por ciento. Separando estos materiales híbridos en individuales, láminas 2D independientes mediante técnicas como recubrimiento por rotación, deposición de vapor químico, y la exfoliación mecánica ha tenido un éxito limitado.
En 1994, mientras era estudiante de doctorado en la Universidad de Harvard, Yang propuso un método para preparar nanoestructuras de perovskita híbridas 2D y ajustar sus propiedades electrónicas, pero nunca actuó en consecuencia. El año pasado, mientras se prepara para mudar su oficina, se topó con la propuesta y se la pasó al coautor principal Dou, estudiante de posdoctorado en su grupo de investigación. Dou, trabajando principalmente con los otros autores principales Wong y Yu, utilizó la propuesta de Yang para sintetizar hojas 2D independientes de CH3NH3PbI3, una perovskita híbrida hecha de una mezcla de plomo, bromo, nitrógeno, átomos de carbono e hidrógeno.
"A diferencia de los métodos de exfoliación y deposición de vapor químico, que normalmente producen placas de perovskita relativamente gruesas, pudimos cultivar cristales 2D uniformes de forma cuadrada en un sustrato plano con alto rendimiento y excelente reproducibilidad, ", dice Dou." Caracterizamos la estructura y composición de los cristales 2D individuales utilizando una variedad de técnicas y descubrimos que tienen una emisión de borde de banda ligeramente desplazada que podría atribuirse a la relajación estructural. Un estudio preliminar de fotoluminiscencia indica una emisión de borde de banda a 453 nanómetros, que se desplaza ligeramente hacia el rojo en comparación con los cristales a granel. Esto sugiere que el ajuste de color podría lograrse en estas perovskitas híbridas 2D cambiando el grosor de la hoja y la composición a través de la síntesis de materiales relacionados ".
La geometría bien definida de estos cristales 2D de forma cuadrada es la marca de cristalinidad de alta calidad, y su gran tamaño debería facilitar su integración en dispositivos futuros.
"Con nuestra técnica, También se pueden lograr heteroestructuras verticales y laterales, ", Dice Yang. Esto abre nuevas posibilidades para el diseño de materiales / dispositivos a escala atómica / molecular con nuevas propiedades distintivas".
